JP2008196315A - ディーゼルエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】ディーゼルパティキュレートフィルタにて捕集した粒子状物質を良好に燃焼させるために必要なシステムの複雑化とコストの上昇を不要にする。
【解決手段】多気筒のディーゼルエンジン１において、シリンダヘッド２の一側端部を外方に延出した延出部２ａに、ディーゼルパティキュレートフィルタ３を内装して設ける。また、ディーゼルエンジン１のシリンダヘッド２延出部２ａに内装したディーゼルパティキュレートフィルタ３を、複数個並列させて設けたディーゼルエンジンの構成とする。
【選択図】図３

Description

この発明は、ディーゼルエンジンに関し、主としてディーゼルエンジンの排気中に存在する粒子状物質浄化用のディーゼルパティキュレートフィルタの配設位置に関する。

従来、ディーゼルエンジンから排出される粒子状物質は、排気用マフラー等に配設されたディーゼルパティキュレートフィルタにより捕集を行い、この捕集された粒子状物質を燃焼させ機外へ除去するもの等が開示されているが、このような粒子状物質の燃焼は、排気ガスが所定の温度より低いときは充分に処理されないため、該フィルタの上流側の排気ガス中へ炭化水素の添加を行うことにより、該フィルタに吸着された炭化水素の酸化反応により粒子状物質を燃焼させ除去するようにしている。（例えば、特許文献１参照）
特開２００４−３３９９７１号公報

このように、通常ではディーゼルエンジンから排出される排気ガスは、排気用マフラーの配置等がエンジン本体から離れている場合が多く排気温度が低くなることから、ディーゼルパティキュレートフィルタにより捕集された粒子状物質を良好に燃焼させるには、排気ガス中へ炭化水素の添加を行う炭化水素添加手段及び該添加手段を制御する炭化水素添加制御手段等が必要となり、これらの手段を作用させる装置のためシステムが複雑化すると共に、コスト的にも不利となる。

そこで本発明は、ディーゼルパティキュレートフィルタにより捕集された粒子状物質を、良好に燃焼させるために必要となるシステムの複雑化とコストの上昇を不要にするものである。

請求項１の発明は、多気筒のディーゼルエンジン（１）において、シリンダヘッド（２）の一側端部を外方に延出した延出部（２ａ）に、ディーゼルパティキュレートフィルタ（３）を内装して設けたことを特徴とするディーゼルエンジンの構成とする。

このような構成により、多気筒のディーゼルエンジン（１）において、シリンダヘッド（２）の一側端部（例えば、フライホイル側の端部）を外方に張り出し延出した延出部（２ａ）に、ディーゼルパティキュレートフィルタ（３）を内装していることにより、該フィルタ（３）の保持が簡潔容易であると共に、該エンジン（１）からの排気を余り温度の低下がなく該フィルタ（３）内を通過させることができる。

請求項２の発明は、前記多気筒のディーゼルエンジン（１）のシリンダヘッド（２）延出部（２ａ）に内装したディーゼルパティキュレートフィルタ（３）を、複数個並列させて設けたことを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの構成とする。

このような構成により、多気筒のディーゼルエンジン（１）において、シリンダヘッド（２）の一側端部（例えば、フライホイル側の端部）を外方に張り出し延出した延出部（２ａ）に、ディーゼルパティキュレートフィルタ（３）を多気筒に対応して複数個並列させて内装していることにより、該フィルタ（３）の保持が簡潔容易であると共に、該エンジン（１）からの排気を余り温度の低下がなく該フィルタ（３）内を通過させることができる。

請求項１の発明では、上記作用の如く、多気筒のディーゼルエンジン（１）において、シリンダヘッド（２）の延出部（２ａ）にディーゼルパティキュレートフィルタ（３）を内装していることにより、該フィルタ（３）を排気管等に内装する必要がないから、配管部品も少なく低コストとなり強度不足や異常振動による破損や脱落・火災等の危険性がなくなると共に、該エンジン（１）からの排気を余り温度の低下がなく該フィルタ（３）内を通過させることができ、該フィルタ（３）により排気中に存在する粒子状物質を捕集して良好に浄化再生することが可能である。

請求項２の発明では、上記作用の如く、多気筒のディーゼルエンジン（１）において、シリンダヘッド（２）の延出部（２ａ）にディーゼルパティキュレートフィルタ（３）を多気筒に対応して複数個並列させて内装していることにより、該フィルタ（３）を排気管等に内装する必要がないから、配管部品も少なく低コストとなり強度不足や異常振動による破損や脱落・火災等の危険性がなくなると共に、該エンジン（１）からの排気を余り温度の低下がなく該フィルタ（３）内を通過させることができ、該フィルタ（３）により排気中に存在する粒子状物質を捕集して良好に浄化再生することが可能である。

多気筒のディーゼルエンジン１において、シリンダヘッド２の一側端部を延出した延出部２ａに、ディーゼルパティキュレートフィルタ３を内装して設けた排気浄化装置。また、該シリンダヘッド２の延出部２ａに内装したディーゼルパティキュレートフィルタ３を複数個並列させて設けた排気浄化装置。

以下に、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１に示す如く、コモンレール式（蓄圧式燃料噴射）を採用している多気筒のディーゼルエンジン１についてシステム図によりその概要を説明する。コモンレール式とは、各気筒へ燃料を噴射する燃料噴射装置への燃料供給を、要求された圧力とするコモンレール１０（蓄圧室）を介して行うものである。

燃料タンク１１内の燃料は、吸入通路により燃料フィルタ１２を介して該エンジン１で駆動される燃料噴射ポンプ１３に吸入され、この噴射ポンプ１３によって加圧された高圧燃料は、吐出通路１４によりコモンレール１０に導かれて蓄えられる。

該コモンレール１０内の高圧燃料は、各高圧燃料供給通路１６により気筒数分の燃料噴射弁１７に供給され、エンジンコントロールユニット１８（以下ＥＣＵという）からの指令に基づき、各気筒毎に燃料噴射弁１７が開弁作動して、高圧燃料が該エンジン１の各燃焼室内に噴射供給され、各燃料噴射弁１７での余剰燃料（リターン燃料）は、各リターン通路１９により共通のリターン通路２０へ導かれ、リターン通路２０によって燃料タンク１１へ戻される。

また、コモンレール１０内の燃料圧力（コモンレール圧）を制御するため燃料噴射ポンプ１３に圧力制御弁２１が設けられており、この圧力制御弁２１はＥＣＵ１８からのデューティ信号によって、燃料噴射ポンプ１３から燃料タンク１１への余剰燃料のリターン通路２０の流路面積を調整するものであり、これによりコモンレール１０側への燃料吐出量を調整してコモンレール圧を制御することができる。

具体的には、エンジン運転条件に応じて目標コモンレール圧を設定し、レール圧センサ２２により検出されるコモンレール圧が目標コモンレール圧と一致するよう、圧力制御弁２１を介してコモンレール圧をフィードバック制御する。

図２に示す如く、作業機等におけるコモンレール式ディーゼルエンジン１のＥＣＵ１８は、回転数と出力トルクの関係において走行モードＭ１と通常作業モードＭ２及び重作業モードＭ３の三種類の制御モードを設けている。

走行モードＭ１は、回転数の変動で出力も変動するドループ制御として、農作業を行わず移動走行する場合に使用するものであり、例えば、ブレーキを掛けて走行速度を減速したり停止したりすると、この走行負荷の増大に伴ってエンジン回転数が低下するため走行速度の減速や停止を安全に行うことができる。

通常作業モードＭ２は、負荷が変動しても回転数が一定で出力を負荷に応じて変更するアイソクロナス制御として、通常の農作業を行う場合に使用するものであり、例えば、トラクターであれば耕耘作業時に耕地が固く耕耘刃に抵抗が掛かるとき、コンバインであれば収穫作業時に収穫物が多く負荷が増大したときでも、出力が変動して回転数を維持するのでオペレータが楽に操縦できる。

重作業モードＭ３は、通常作業モードＭ２と同様に負荷が変動しても回転数一定で出力を負荷に応じて変更するアイソクロナス制御に、負荷限界近くになると回転数を上昇させて出力を上げる重負荷制御を加えた制御で、特に、負荷限界近くで農作業を行う場合に使用するものであり、例えば、トラクターで耕耘作業を行っている際に、特に、固い耕地に遭遇してもエンジン出力が通常の限界を越えて増大するので作業を中断することがない。

これらの作業モードＭ１，Ｍ２，Ｍ３は、作業モード切替スイッチの操作、又は走行変速レバーの変速操作、作業クラッチの入り切り操作等によって切り替わるように構成する。

従来、ディーゼルエンジンでは、メイン噴射に先立って少量の燃料をパルス的に噴射するパイロット噴射を行うことにより、着火遅れを短縮してディーゼルエンジン特有の、所謂ノック音を低減することが知られている。

このパイロット噴射は、メイン噴射の前に１回乃至２回に固定して行われるものであったが、前記コモンレール１０のシステムを用いることで、エンジンの状況に応じてパイロット噴射の状態を変化させ、騒音の低減や不完全燃焼による白煙又は黒煙の発生を抑制できる。

図３（ａ），（ｂ）に示す如く、ディーゼルエンジン１は、多気筒形態のコモンレール式でシリンダブロック２３の上部にシリンダヘッド２を、下部にオイルパン２４を配設すると共に、前部にギヤケース２５とラジエータファン２６を、後部にフライホイル２７を各々配設させる。２８はクランク軸である。

該シリンダヘッド２は、排気側にターボ過給機２９を連結させると共に、フライホイル２７側の端部を外方に張り出し延出させた延出部２ａを設け、この延出部２ａに、排気中に存在する粒子状物質（以後ＰＭという）を捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ３（以後ＤＰＦという）を内装し、このＤＰＦ３の入口側とターボ過給機２９のタービン２９ａ側とを排気管３０ａによって連結配設させる。

このような構成により、該ＤＰＦ３をシリンダヘッド２の延出部２ａに内装していることにより、ＤＰＦ３を排気管３０ａ等に内装する必要がないから、配管部品も少なく低コストとなり強度不足や異常振動による破損や脱落・火災等の危険性がなくなると共に、該エンジン１からの排気を余り温度の低下がなくＤＰＦ３内を通過させることができ、ＤＰＦ３により排気中に存在するＰＭを捕集して良好に浄化再生することが可能である。

また、前記図３に示す如きディーゼルエンジン１において、図４（ａ），（ｂ）に示す如く、該シリンダヘッド２の延出部２ａに、該ＤＰＦ３を多気筒形態に対応して複数個並列に内装して構成させることにより、ＤＰＦ３を排気管３０ａ等に内装する必要がないから、配管部品も少なく低コストとなり強度不足や異常振動による破損や脱落・火災等の危険性がなくなると共に、該エンジン１からの排気を余り温度の低下がなくＤＰＦ３内を通過させることができ、ＤＰＦ３により排気中に存在するＰＭを捕集して良好に浄化再生することが可能である。

また、前記図３に示す如きディーゼルエンジン１において、図５（ａ），（ｂ）に示す如く、該シリンダブロック２３の後端部位置でフライホイル２７の上方側を、必要部位のみ外方に張り出し延出させた延出部２３ａを設け、この延出部２３ａにＤＰＦ３を内装し、このＤＰＦ３の入口側とターボ過給機２９のタービン２９ａ側とを排気管３０ｂによって連結配設させる。

このような構成により、該ＤＰＦ３をシリンダブロック２３の延出部２３ａに内装していることにより、ＤＰＦ３を排気管３０ｂ等に内装する必要がないから、配管部品も少なく低コストとなり強度不足や異常振動による破損や脱落・火災等の危険性がなくなると共に、該エンジン１からの排気を余り温度の低下がなくＤＰＦ３内を通過させることができ、ＤＰＦ３により排気中に存在するＰＭを捕集して良好に浄化再生することが可能である。

また、前記図３に示す如きディーゼルエンジン１において、該エンジン１に用いるＤＰＦ３は排出ガスに見合った径サイズの選定が必要となるが、コンバイン等に装着する際には径サイズが大きいと該エンジン１の周辺に配置できない場合が多く、配置場所によっては再生時の温度上昇によって火災を発生する危険があることから、このような危険を回避するためＤＰＦ３を従来よりやや小さい径サイズのＤＰＦ５とする。

該やや小径のＤＰＦ５は、図６（ａ），（ｂ）に示す如く、前記ターボ過給機２９のタービン２９ａ側に直列二連にて連結構成し、上流側のＤＰＦ５ａは、入口側を閉塞無しとし出口側を交互に閉塞させ５０％のセルが通過自由となるよう形成して、該フライホイル２７の上方側に排気管３０ｃにより横向に連結配置させ、下流側のＤＰＦ５ｂは、入口側と出口側を互い違いに閉塞させた通常形態のものに形成して、上流側のＤＰＦ５ａに排気管３０ｄにより縦向に連結配置させることにより、ＰＭの捕集を長手方向に分散させ小型化による作用不足を補うことができる。

また、前記の如きＤＰＦ５において、上流側のＤＰＦ５ａは、フライホイル２７の上方側にて該エンジン１本体近傍に位置しているから、作業時等では常に排気ガスの温度が６００度程度の高温に保持されているため触媒を担持しなくても再生が可能であり、下流側のＤＰＦ５ｂには触媒を担持させることにより該エンジン１本体から離れた温度の低い場所に配置しても再生が可能であるから、レイアウトが容易になると共に、触媒の担持が片方のみでよくコスト低減を図ることができる。

また、前記図３に示す如きディーゼルエンジン１において、図７に示す如く、ターボ過給機２９のタービン２９ａ上流側に排気側の排気経路３１を接続すると共に、該タービン２９ａの下流側に外方への排気管３０を接続し、この排気管３０の該タービン２９ａ側寄りにＤＰＦ３を内設し、この内設されたＤＰＦ３の下流側からＥＧＲクーラ３２を経てターボ過給機２９のコンプレッサ２９ｂ上流側に接続するＥＧＲ経路３３を設け、このＥＧＲ経路３３の入口下手側の排気管３０に排気絞り弁３４を内設すると共に、ＥＧＲ経路３３と該コンプレッサ２９ｂの上流側位置との合流部にＥＧＲバルブ３５を配設し、該コンプレッサ２９ｂの下流側からインタークーラ３６を経て吸気側の吸気経路３７に接続して構成させる。

このような構成により、従来、ＥＧＲクーラ３２を通過した排気還元ガスは吸気経路３７へ還元されるものであるが、場合によっては吸気経路３７の方が圧力が高くＥＧＲクーラ３２へ逆流する可能性があるため、このとき、排気絞り弁３４を絞り、排気管３０と共にＥＧＲクーラ３２内の圧力を吸気経路３７より高めることによって、吸気経路３７への還元の際に、逆流を阻止してＥＧＲバルブ３５で吸気経路３７への還流を円滑に行わせることができる。

また、前記図７に示す如きディーゼルエンジン１において、図８に示す如く、ターボ過給機２９のタービン２９ａ下流側に接続した排気管３０に内設されたＤＰＦ３に、その上流側に近接位置して排気圧力センサ３８と、下流側に近接位置して排気温度センサ３９とを各々配設して構成させる。

このような構成により、図９のフローチャートに示す如く、排気圧力センサ３８にてＤＰＦ３上流の圧力を計測し、ＰＭの堆積により計測値が閾値を超えＤＰＦ３の再生が必要と判断したときは、ＰＭを燃焼させるためにＤＰＦ３の温度を燃料噴射量の増量により上昇させ、排気温度センサ３９の計測値が再生に最適な温度となるよう燃料噴射量の制御を行わせる。これらの制御は、該エンジン１に設けたエンジンＥＣＵにより通常の作業中に実行させることができる。

また、前記図８に示す如きディーゼルエンジン１において、排気圧力センサ３８と排気温度センサ３９、及びエンジンＥＣＵと車両ＥＣＵとを各々配設して構成させる。
このような構成により、図１０のフローチャートに示す如く、排気圧力センサ３８にてＤＰＦ３上流の圧力を計測し、ＰＭの堆積により計測値が閾値を超えＤＰＦ３の再生が必要と判断したときは、ＰＭを燃焼させるために排気温度センサ３９の計測値が、ＤＰＦ３の再生に最適な温度となるよう燃料噴射時期を遅角若しくは進角させる制御を行わせるが、この燃料噴射時期の制御時には最大出力が低下するため、ＤＰＦ３の再生を行う際には自動的に車両の作業速度（耕耘や刈取等）を下げ、再生時の出力低下によるエンジン回転数の低下や、エンジン停止による不具合を防止させる。これらの制御は、該エンジン１に設けたエンジンＥＣＵ、及び車両に設けた車両ＥＣＵにより通常の作業中に実行させることができる。

また、自動車等における如くＤＰＦに担持する触媒の再生モードを有しているものはあるが、農作業機等の如く、ある程度負荷が一定していることが多いものでは、再生モードに入るにはオペレータによるモード切替えが必要となるため、図１１のフローチャートに示す如く、負荷状況の監視システムと触媒状態の判断システム及び再生モードを設けることにより、負荷状況を監視し一定時間負荷が規定値以下の場合には、触媒の状態を確認し再生が必要かどうかの判断を行い、必要と判断した場合には、燃料噴射量の増加等によるＤＰＦ触媒の再生モードに入ることを可能とすることかできる。

また、図１２に示す如く、該ＤＰＦ３及びＤＰＦ５等によるフィルターＦを円筒ケース４０に内装させる構成において、該ケース４０の一方の端面に排気ガスの入口側ａと出口側ｂとを設け、入口側ａのパイプ４１を該ケース４０の中心線を軸として回動可能に支承すると共に、該ケース４０の内部でフィルターＦの片側半分にのみ排気ガスを導くようオフセット形状に形成させる。（該パイプ４１は入口側ａと出口側ｂを逆に形成してもよい）
このような構成により、該フィルターＦにおいて触媒や排気ガスの温度制御により連続再生を行う際に、燃焼できない灰分が堆積し排圧が上昇し、この排圧上昇に伴う性能劣化やエンジン損傷の危険性があるため、通常ではフィルターＦの交換や取外しによる掃除が必要であるが、このとき、該パイプ４１を回動させてフィルターＦ内の排気ガスの流れを反転させることにより、堆積した灰分を排出させる保守作業が不要となるから、その手間と経費を削減することができる。

また、農作業機としてのトラクターにおいて、軽負荷の作業を行うとき、例えば代掻き等では高負荷が掛かることは滅多になく、ある程度の時間作業を行うことが多いから、この間に該ＤＰＦ等に担持する触媒の再生モードを作用させて触媒の活性化を行わせるものでは、この活性化を行うために再生に最適となるよう温度を上昇させる必要がある。

このため、トラクターのエンジンにおいて、該ＤＰＦ等に担持する触媒と、吸気を絞る吸気絞り弁とを有すると共に、燃料噴射時期の変更を可能とするものでは、図１３のフローチャートに示す如く、運転状態の確認を行い、代掻きモード等の軽負荷運転のときは、触媒状態の確認を行い触媒による再生が必要なときは再生モードを作用させ、吸気絞り弁による吸気の絞りと、燃料噴射時期の変更とによって、燃焼ガスをＤＰＦ再生に最適な温度に昇温させることができる。

なお、該吸気の絞りと燃料噴射時期の変更とによる昇温は必ずしも同時に作用させる必要はなく、運転の状態によっては、各々単独にて作用させてもＤＰＦ再生時に効果を有するものである。

また、農作業機としてのコンバインにおいて、主体の刈取作業ではエンジンの出力をフルに使うため該ＤＰＦ再生に必要な高温の排気温度が期待できるが、籾排出時は刈取時に比べ負荷が低くＤＰＦ再生に必要な排気温度が期待できないため、再生に最適となるよう温度を上昇させる必要がある。

このため、グレンタンクと籾排出用オーガを装備するコンバインにおいて、エンジンの吸気通路に吸気を制限させる手段と、燃料噴射時期の変更を可能とするものであって、エンジンＥＣＵからの指示で作動させるものでは、図１４のフローチャートに示す如く、籾排出作業時に車両側ＥＣＵからＣＡＮ又はＫライン等の通信手段によって、エンジンＥＣＵに籾排出モードに切り替える指示を出力し、エンジンＥＣＵからの指示により、吸気を制限して燃料噴射量と吸入空気量の割合を排気温度が上昇するように設定すると共に、燃料噴射時期の変更を行い籾排出時に排気温度を上昇させＤＰＦが再生され易い環境にすることができる。

なお、該吸気の制限と燃料噴射時期の変更とによる昇温は必ずしも同時に作用させる必要はなく、運転の状態によっては、各々単独にて作用させてもＤＰＦ再生時に効果を有するものである。

トラクターやコンバイン等の農作業車両を始め一般車両にも利用可能である。

コモンレールによる蓄圧式燃料噴射ディーゼルエンジンを示すシステム図。 三種類の制御モードによるエンジン回転数と出力トルクの関係を示す線図。 （ａ）シリンダヘッドの後端延出部にＤＰＦを内装して設けた状態を示す側面図。 （ｂ）シリンダヘッドの後端延出部にＤＰＦを内装して設けた状態を示す正面図。 （ａ）シリンダヘッド延出部に複数のＤＰＦを内装して設けた状態を示す側面図。 （ｂ）シリンダヘッド延出部に複数のＤＰＦを内装して設けた状態を示す正面図。 （ａ）シリンダブロック後端延出部にＤＰＦを内装して設けた状態を示す側面図。 （ｂ）シリンダブロック後端延出部にＤＰＦを内装して設けた状態を示す正面図。 （ａ）直列二連構成の小径ＤＰＦの上流配置側をエンジン本体近傍に設けた状態を示す側面図。 （ｂ）直列二連構成の小径ＤＰＦの上流配置側をエンジン本体近傍に設けた状態を示す正面図。 ターボ過給機の排気側タービン下流にＤＰＦを内設した状態を示す回路図。 ＤＰＦの上流と下流とに圧力及び温度センサを配置した状態を示す回路図。 ＤＰＦ再生時に温度上昇のための燃料噴射量の制御を行う手順を示すフローチャート。 ＤＰＦ再生時に温度上昇のための燃料噴射時期の制御と車速を下げる手順を示すフローチャート。 一定時間負荷が規定値以下でＤＰＦ再生が必要なとき再生モードに入る手順を示すフローチャート。 ＤＰＦを内装して排気ガスを反転させるフィルター構造を示す側断面図。 トラクターにおいてＤＰＦ再生時に吸気の絞りと燃料噴射時期の変更により昇温させる手順を示すフローチャート。 コンバインにおいてＤＰＦ再生時に吸気の絞りと燃料噴射時期の変更により昇温させる手順を示すフローチャート。

符号の説明

１ 多気筒のディーゼルエンジン
２ シリンダヘッド
２ａ 延出部
３ ディーゼルパティキュレートフィルタ

Claims (2)

1. 多気筒のディーゼルエンジン（１）において、シリンダヘッド（２）の一側端部を外方に延出した延出部（２ａ）に、ディーゼルパティキュレートフィルタ（３）を内装して設けたことを特徴とするディーゼルエンジン。
2. 前記多気筒のディーゼルエンジン（１）のシリンダヘッド（２）延出部（２ａ）に内装したディーゼルパティキュレートフィルタ（３）を、複数個並列させて設けたことを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジン。

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